ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА МАШИНЫ ПРИ ПОМОЩИ. ИНДИКАТОРНЫХ ДИАГРАММ
Индикатор. Процессы, происходящие в цилиндре паровой машины, практически могут быть зафиксированы путем снятия индикаторной диаграммы, изображающей зависимости давлений в цилиндре от положения поршня в координатах р — S.
Индикаторные диаграммы снимаются прибором, называемым индикатором, являющимся важнейшим вспомогательным средством для исследования работы паровых машин.
21 Гарькуша и Юшина. 649
Снятая при помощи индикатора диаграмма дает полную картину происходящих в цилиндре явлений. По снятой индикаторной диаграмме определяется мощность машины, выявляются погрешности парораспределения, неплотности распределительных органов, поршней и т. п.
Схема устройства и работы индикатора следующая. Цилиндр индикатора 1 (фиг. 142) соединен с одной рабочей полостью цилиндра 2 (на фиг. 142 — с полостью стороны крышки), и под поршеньком 3 индикатора всегда будет то же давление пара, что и в цилиндре машины. Над поршеньком индикатора расположена пружина 4, в которую
он упирается при движении вверх, и пишущий прибор 5. Деформация пружины, а следовательно, и перемещение поршенька вместе со штоком и пишущим штифтом 6 будут прямо пропорциональны давлению пара в цилиндре машины.
Для записи величины давления в цилиндре около пишущего штифта индикатора располагается пластинка с прикрепленным на ней листом бумаги. Эта пластинка, связанная с ползуном (поршнем) посредством шнура 7, передвигается пропорционально перемещению поршня.
Сочетание вертикального движения пишущего штифта и горизонтального движения пластины дает запись зависимости изменения давления пара в цилиндре машины от перемещения поршня.
Наиболее распространенными в настоящее время являются индикаторы с холодной пружиной, т. е. с пружиной, расположенной снаружи цилиндра и не подверженной сильному нагреву. На фиг. 143, а изображен внешний вид этого индикатора, а на фиг. 143, б—его разрез.
Цилиндр индикатора 1 при помощи гайки 2 соединяется с трехходовым индикаторным краном.
Для ввертывания индикаторных кранов цилиндры всех машин должны быть снабжены специальными сверлениями, ведущими в обе рабочие полости цилиндра и в полость свежего пара золотниковой коробки (последнее сверление делается, к сожалению, довольно редко). Внеш
ний конец сверления снабжен резьбой для постановки кранов. При обычной работе машины отверстия для установки индикаторных кранов заглушаются ввернутыми на резьбе специальными пробками.
На крышке цилиндра располагается двухходовая индикаторная пружина 4, нижним концом привернутая к хвостовику крышки, а верхним присоединенная к штоку поршенька индикатора. Избыточное давление пара на поршенек 3 вызывает его перемещение, равное удлинению пружины и пропорциональное величине давления пара.
Так как перемещения поршенька, зависящие от величины деформации пружины, невелики (не больше 10 мм), то индикатор снабжается рычажным пишущим прибором 5,
связанным со штоком поршенька Пишущий штифт прибора перемещается по прямой линии, параллельной оси цилиндра. Перемещение штифта пропорционально перемещению поршенька и по величине в 6 раз больше его. Обычно применяется штифт из бронзы Такой штифт дает четкую линию на специальной бумаге диаграммы.
Величина перемещения пишущего штифта при изменении давления на 1 UzjcM2 характеризует индикаторную пружину и называется масштабом индикаторной пружины.
На каждой индикаторной пружине отмечаются три величины: ^диаметр поршенька в мм, например, d = 20,27 ми; 2) предельное давление, на которое рассчитана пружина, в кг/см2 (на пружинах часто отмечают давление условно в кг) и 3) масштаб пружины 1 кг/см2 — т мм (на пружинах масштаб отмечается неправильно 1 кг= тмм).
Запись индикаторной диаграммы производится на бумаге, надетой на барабан индикатора 6, ось вращения которого параллельна оси
цилиндра индикатора. Внутри барабана помещена пружина 8, соединенная одним концом с неподвижной осью барабана, а другим — с самим барабаном. Вращательное движение барабану в одну сторону сообщает шнур 7, связанный посредством ходоуменьшителя с ползуном или поршнем машины, а в другую — затянутая пружина 8. Поворот барабана происходит пропорционально перемещению поршня машины.
Так как перемещения поршня в большинстве случаев имеют большую величину, а длина диаграммы всего 50—80 мм, то непосредственное присоединение индикаторного шнура к ползуну или поршню машины становится невозможным.
В этих случаях машину снабжают ходоуменьшителем — механизмом, преобразующим прямолинейное движение поршня в подобное ему прямолинейное движение стержня или шнура, но с меньшей величиной хода.
Наиболее употребительны рычажные, эксцентриковые и роликовые ходоуменыпители. Рычажный ходоуменыпитель представляет собой рычаг первого или второго рода. Большее его плечо связывается с ползуном, а меньшее — со шнуром индикатора. В эксцентриковом механизме сочетание эксцентрика и ролика (ось ролика закреплена на одном конце стержня-ползуна, передающего движение барабану) дает как бы небольшой кривошипно-шатунный механизм, подобный механизму машины. Кривошипом в этом механизме является эксцентриситет эксцентрика, а шатуном — сумма радиусов эксцентрика и ролика.
Роликовый ходоуменыпитель представляет собой ступенчатый ролик с возвращающей пружиной, расположенной внутри его. Отношение большего диаметра ролика к меньшему должно быть равно отношению величины хода поршня машины к длине диаграммы.
Применение роликовых ходоуменьшителей возможно только при небольшом числе оборотов машины. При увеличении числа оборотов вала машины пружина перестает успевать возвращать ролик в исходное положение, и индикаторная диаграмма получается искаженной.
Размеры и вес движущихся частей индикатора также могут оказать влияние на точность записи индикаторных диаграмм, так как чем больше число оборотов вала машины и тяжелее движущиеся части индикатора, тем большие усилия нужны для преодоления их инертности и тем больше будет проявляться запаздывание перемещений пишущего штифта.
В зависимости от размеров барабана и пишущего механизма различают четыре размера индикаторов. Три из них Снабжены цилиндрическими винтовыми пружинами и отмечаются номерами 1, 2 и 3, а в четвертом пружиной служит защемленный одним концом в корпусе индикатора стержень в форме тела равного сопротивления изгибу (индикатор с балочной пружиной).
Самый крупный из всех индикатор размера № 1 пригоден для ин- дицирования машин с числом оборотов не больше чем 200 в минуту; размер № 2 (средний) можно применять, если вал машины делает до 400 об/мин; размер № 3 (малый) употребляется для машин с наибольшим числом оборотов — 600—700 в минуту; наконец, при 1000— 1200 об/мин можно пользоваться балочным индикатором. При более высоких числах оборотов вала необходимо переходить на электропнев- матические индикаторы (например, индикатор ТЛ-3 Тепловозной лаборатории МВТУ) или осциллографирование.
Для индицирования паровых машин локомобилей наиболее часто применяются индикаторы размера № 2.
Нормальный поршень индикатора имеет диаметр 20,27 мм, что соответствует величине площади поршенька, равной половине квадратного дюйма. Поршеньки других размеров обозначаются в долях их площади по отношению к площади нормального.
Каждый индикатор снабжается набором пружин, а иногда и поршеньков с цилиндровыми втулками, чтобы охватить достаточно большой диапазон давлений. В табл. 33 приведена характеристика набора пружин для индикатора размера № 2.
Таблица 33
|
Характеристика набора пружин для индикатора
Примечание. Данные, расположенные в одной вертикальной графе, относятся к одной и той же пружине, но при разных поршеньках. |
Для измерения давлений к индикатору прикладывается набор специальных масштабных линеек, причем для каждой пружины имеется линейка с соответствующим масштабом. Прикладывая такую линейку к индикаторной диаграмме, можно сразу определить величину давления в кг/см2.
Снятие индикаторных диаграмм производится следующим образом. При отключенном от ходоуменьшителя индикаторе на барабан индикатора надевается листок специальной индикаторной бумаги.
Перед сигналом, даваемым для производства замеров, шнурок индикатора присоединяется к ходоуменьшителю, и барабан индикатора начнет совершать возвратно-колебательное движение. Для прогрева индикатора и удаления из каналов конденсата пробку индикаторного крана ставят в положение продувки, т. е. каналы, подводящие пар к индикатору, соединяются посредством продувочного сверления в пробке крана с атмосферой. После прогрева индикатора пробка крана ставится в положение съемки, при котором цилиндр индикатора соединяется с цилиндром машины. Необходимо следить, чтобы проходное сечение в кране было открыто полностью, в противном случае будет происходить мятие протекающего пара и искажение диаграммы.
После открытия крана для снятия диаграммы необходимо пишущий прибор индикатора прижать за специальную ручку к барабану. При этом пишущий штифт (бронзовый) запишет на бумаге индикаторную диаграмму.
Пишущий штифт нужно держать прижатым к барабану только в течение одного оборота вала машины. Если пишущий прибор отвести раньше, то диаграмма не будет доведена до замыкания, если же держать дольше, то на диаграмме будет двойная или тройная линии, так как штифт запишет последовательно несколько диаграмм, которые никогда не совпадают одна с другой. После съемки диаграммы необходимо закрыть кран, соединяя цилиндр индикатора с атмосферой, и снова прижать пишущий штифт к барабану для нанесения атмосферной линии.
Только после записи атмосферной линии можно отцепить индикаторный шнур от ходоуменьшителя, снять записанную диаграмму и поставить новый листок бумаги.
На снятой диаграмме необходимо немедленно поставить дату, номер диаграммы, полость цилиндра и масштаб индикаторной пружины.
Более совершенные конструкции ходоуменьшителей позволяют производить выключение и включение индикатора без разъединения шнура. Обычно же для включения индикатора приходится на ходу, посредством накидывания крючка, присоединять индикаторный шнур к движущемуся ходоуменьшителю, что требует известного навыка.
Снятая индикаторная диаграмма используется для определения индикаторной мощности машины. Способы определения среднего индикаторного давления и подсчета индикаторной мощности приведены в § 5 настоящей главы
Оценка работы машины по индикаторной диаграмме. Хотя только знание кинематической схемы парораспределительного механизма дает возможность точного определения фаз парораспределения, все же, имея индикаторную диаграмму, можно с достаточной степенью точности определить величины степеней наполнения, сжатия, предварения выпуска и впуска, а также и показателей политроп расширения и сжатия.
Значения этих величин и сравнение данной диаграммы с образцовой позволяет дать некоторую оценку качества рабочего процесса машины. Отступление данной диаграммы от образцовой дает указание на ненормальности процесса.
Для более легкого установления причин, нарушающих нормальный рабочий процесс в цилиндре, на фиг. 144 приведены 10 индикаторных диаграмм с характерными примерами ненормальной работы машины:
1) диаграмма машины с чрезмерно большим предварением впуска (раннее начало впуска);
2) диаграмма машины без предварения впуска или с очень малым предварением (позднее начало впуска);
10) диаграмма машины с разлаженным парораспределением (например с неправильной установкой золотника), что вызывает различные величины степени наполнения с обеих сторон цилиндра.
На индикаторных диаграммах фиг. 144 показаны влияния отдельных факторов, вызывающих искажение нормального процесса в цилиндре, в действительности же одновременно могут действовать не один, а целый ряд таких факторов, которые будут проявляться на индикаторных диаграммах.
На фиг. 145, а изображены индикаторные диаграммы, снятые при испытании машины локомобиля П-25 (пружины с масштабом т ~
|
pie*6.03am’ |
= 3 , а на фиг. 145,6—диаграммы машины локомобиля СК-125
/ г; о ММ
^для ц. в. д. масштаб пружин т — о а для ц. н. д. т =*
-10ї^О-
Анализ этих диаграмм показывает правильную наладку парораспределительного механизма в отношении фаз распределения и отсутствие значительных утечек пара через неплотности. Довольно значительное падение давления пара во время впуска на диаграммах машины локомобиля П-25 и ц. в. д. локомобиля СК-125 может быть объяснено небольшим объемом камеры свежего пара золотниковой коробки.
При малом объеме камеры свежего пара в ней во время впуска пара в цилиндр происходит падение давления пара, так как пар, притекающий с некоторой средней скоростью по трубопроводу из котла, не может возместить большого расхода пара для заполнения цилиндра в период впуска.